不銹鋼的使用開發(fā)和今后發(fā)展動向
不銹鋼的使用開發(fā)和今后發(fā)展動向
1 鐵素體系不銹鋼用途的擴(kuò)展
*近，日本不銹鋼的年產(chǎn)量和消耗量約為300萬t~350萬t，其中一半是奧氏體系不銹鋼SUS304。此鋼種因耐蝕性、加工性優(yōu)良而用途廣泛，但對點(diǎn)蝕、晶間腐蝕及應(yīng)力腐蝕開裂等局部腐蝕的耐蝕性不足，故在更苛刻的腐蝕環(huán)境下須使用增大Ni含量，并加入Mo的SUS316鋼。然而因Ni價上漲，故業(yè)界開發(fā)了價格更低、耐蝕性和加工性與奧氏體系不銹鋼相近的鐵素體系不銹鋼，從而使不含Ni或含少量Ni的鐵素體系不銹鋼的使用日益廣泛。
不銹鋼被用作大型建筑物的屋頂材，如用高耐蝕不銹鋼建設(shè)了多座圓頂球場。在不銹鋼制屋頂上，無需像在水泥屋頂上進(jìn)行防水處理和在涂層鋼板屋頂上進(jìn)行再涂漆處理，幾乎可以不用維修。1989年日本幕張博覽會使用了22Cr-0.8Mo不銹鋼作屋頂材?，F(xiàn)在大阪、西武、札幌的圓頂建筑物屋頂材則使用了耐蝕性更好的SUS447J1（30Cr-2Mo-LC，N）鋼，鐵素體系不銹鋼的使用量一直在增加。
鐵素體系17Cr-0.2Ti鋼和21Cr-0.4Cu-0.3Ti鋼大幅度降低了鋼中的C、N含量后，其力學(xué)性能比原來的SUS430鋼更高，特別是后者因提高了Cr含量而具有與SUS304鋼相近的耐蝕性及加工性。由于Mo價高漲且波動頻繁，故也進(jìn)行了節(jié)鉬鋼的開發(fā)，如在SUS304（18Cr-1Mo）鋼的基礎(chǔ)上開發(fā)了19Cr-(0.4~0.6)Cu-Nb鋼和21Cr-0.4Cu-0.3Ti鋼。這些開發(fā)鋼都增加了Cr含量，降低了C、N含量，并加入了Cu和Nb等微量元素，從而提高了鋼的耐蝕性。
鐵素體系不銹鋼開發(fā)的原動力是為了打破鎳資源價格高且波動大的局限，且還要保留與奧氏體系不銹鋼相近的耐蝕性和加工性。對此，雖然增Cr加Mo有效，但Mo與Ni同為稀缺資源，故解決問題的辦法是開發(fā)*大限度降低鋼中雜質(zhì)與C、N含量的高純凈不銹鋼。這類鋼因減少了成為不銹鋼腐蝕起點(diǎn)的非金屬夾雜物、碳化物的析出相及雜質(zhì)元素在晶界的偏析，故提高了鋼的耐蝕性和加工性。
2 特殊用途不銹鋼
2.1高純凈化與腐蝕特性
如上所述，不銹鋼耐蝕性的降低是因鋼中所含的非金屬夾雜物和雜質(zhì)元素在晶界的偏析成為腐蝕起點(diǎn)的結(jié)果，故對之進(jìn)行控制極為重要。*近，99.999%或者99.9999%超高純鐵表現(xiàn)出的優(yōu)良耐蝕性及以超低碳鋼為主的IF鋼技術(shù)，都表明了不銹鋼應(yīng)向高純凈化方向發(fā)展，這對高純凈鐵素體系不銹鋼的開發(fā)具有很大的促進(jìn)作用。
在處理核反應(yīng)堆使用過的核燃料過程中，由于使用了含強(qiáng)氧化劑的高溫濃硝酸溶液，不銹鋼制容器在強(qiáng)氧化介質(zhì)中的腐蝕電位處于過鈍化電位區(qū)，從而產(chǎn)生了晶間腐蝕。對于腐蝕機(jī)理，有研究報告稱是P和Si在晶界的偏析造成的。Mayuzumi等人以99.9%或99.99%的高純度Fe、Cr、Ni金屬為原料，熔煉含氧60ppm~80ppm的高純凈不銹鋼18Cr-16Ni-2Mo，并單獨(dú)或復(fù)合添加C、N、P、S及Si、Mn，以調(diào)查每種雜質(zhì)對不銹鋼鋼耐蝕性的影響。結(jié)果表明，在單獨(dú)添加C、N、P、S達(dá)100ppm的情況下，不銹鋼在18kmol/m3 HNO3中的耐晶間腐蝕性沒有劣化。若分別將18Cr-14Ni-1Mn-0.5Si鋼中的C、P、S控制到100ppm以下，則其耐蝕性顯著提高。進(jìn)一步的研究表明，在高純凈18Cr-14Ni鋼中單獨(dú)或復(fù)合加入P、S、C時，發(fā)生了晶間腐蝕。
由于有效利用了超高純度材料技術(shù)，可以說以上研究成果從理想狀態(tài)把握了鋼中可允許的雜質(zhì)濃度范圍。就實(shí)用材料生產(chǎn)技術(shù)的目標(biāo)而言，可將此成果作為鋼材開發(fā)的新方法而備受矚目。
2.2 高功能化和表面處理
從20世紀(jì)90年代中期開始，家庭內(nèi)的**及廚房·衛(wèi)生器具等的**性能受到廣泛關(guān)注。除在衛(wèi)生陶瓷和瓷磚上涂敷TiO2（利用太陽光和紫外線**）等受到重視外，在不銹鋼中加入3%~4% Cu，彌散均勻分布的富Cu析出相使不銹鋼具有**效果。另外，向不銹鋼中加Ag的**產(chǎn)品已經(jīng)問世，而且將**性金屬·合金涂敷·涂鍍在鋼材表面發(fā)揮**作用的產(chǎn)品也已上市。研究和實(shí)踐表明：因**種類的不同，上述產(chǎn)品的**效果也有差異，但可以確認(rèn)即使Cr、Ti、Al、Ag有明確的**作用，Zn、Mn、Ni、Cu、Co等金屬粉末也均有顯著的**效果。雖然**作用會逐步衰減，但作為對食品無害且環(huán)境負(fù)荷小的**手段，一直在研究和討論之中。
除了增強(qiáng)耐蝕性和設(shè)計(jì)性之外，進(jìn)行著色、黑化等表面處理和涂漆的不銹鋼并不多。*近，有不少家電產(chǎn)品有效利用不銹鋼的金屬光澤，在其表面涂敷了2μm~15μm的透明漆，使之具有優(yōu)良的設(shè)計(jì)性和耐指紋性。
氫燃料電池的開發(fā)·實(shí)用化使人類擺脫對化石燃料的依賴成為可能，因此寄予厚望。目前在實(shí)用化的高分子電解質(zhì)燃料電池上，由于各單位元件電動勢小，故將多數(shù)單位元件堆積構(gòu)成使用。為了對各元件的氣體（H2、O2、H2O）進(jìn)行分離，由于原來采用的石墨分離器加工性低且增大了電池的體積和質(zhì)量，故現(xiàn)在使用了加工性能高的不銹鋼作為隔板材料而大幅度減小電池體積和質(zhì)量。然而在電池啟動和停止時，不銹鋼會產(chǎn)生腐蝕和其純態(tài)皮膜的接觸電阻增大等問題。因?yàn)椴讳P鋼的腐蝕而溶解的Fe、Cr、N等離子使作為電解質(zhì)的高分子膜和觸媒Pt（即催化劑）大幅度劣化。
2004年有研究報告稱，通過向鋼材中加入N且盡可能不增加其中的Cr、Ni、Mo等合金元素含量，開發(fā)了在海水中發(fā)生局部腐蝕少的耐海水腐蝕不銹鋼。即利用N2*大壓力為5MPa的加壓式電渣重熔裝置，通過對不銹鋼的重熔·凝固而實(shí)現(xiàn)鋼材的純凈化和使N在鋼中固溶，從而開發(fā)了23Cr-4Ni-2Mo-1N的γ單相不銹鋼。這類高氮不銹鋼（N含量高達(dá)10000ppm）既有優(yōu)良的機(jī)械加工特性，又在夏比沖擊試驗(yàn)中顯示出可低到-50℃的延性-脆性轉(zhuǎn)變溫度等特異性能；而且由于2%Mo和1%N的同時加入使鋼在海水環(huán)境下完全沒有產(chǎn)生間隙腐蝕，因此該高氮鋼的耐海水腐蝕性顯著。盡管已知固溶于不銹鋼中的N能抑制點(diǎn)蝕的發(fā)生，但從X射線電子法的解析可知，N富集在鈍態(tài)皮膜和母相界面附近，在腐蝕過程中形成了NH4+離子，從而阻止了局部pH值的下降。
2.3 汽車和不銹鋼
自20世紀(jì)70年代以來，由于制定了汽車尾氣排放規(guī)則及對規(guī)則的強(qiáng)化，從而要求大幅度減排CO、HC、NOx等有害氣體。燃油在發(fā)動機(jī)中燃燒而產(chǎn)生的大氣污染物，經(jīng)觸媒氧化·還原反應(yīng)可將CO、HC、NOx轉(zhuǎn)化為CO2、H2O、N2等排入大氣。
由于距離汽車引擎越遠(yuǎn)的部件所接觸的廢氣溫度越低，故對不同位置部件的耐氧化性·耐蝕性要求也不同。例如在引擎的正下方，排出的廢氣溫度*高達(dá)800℃~1000℃，就要求該位置部件須有耐高溫氧化性·耐高溫強(qiáng)度和耐高溫疲勞強(qiáng)度；在距引擎遠(yuǎn)的位置，因溫度下降導(dǎo)致H2O汽凝結(jié)從而引發(fā)濕氣腐蝕。由于不同部位所處的環(huán)境和對材料性能的要求不同，故應(yīng)分別使用不同的不銹鋼和耐熱鋼。特別是在觸媒轉(zhuǎn)換器上的環(huán)境溫度≥1000℃，還需要盡可能大的面積接觸廢氣以提高觸媒轉(zhuǎn)換效率，故必須提高材料的耐久性。為了加快觸媒活性的開始時間，也可將轉(zhuǎn)換器從車內(nèi)地板下移至排氣歧管附近，從而將歧管與轉(zhuǎn)換器一體化。汽車排氣系統(tǒng)用的觸媒有Pt、Rh、Pd等，觸媒載體是不銹鋼箔，原來一直使用陶瓷材料，現(xiàn)在改為厚度為50μm的19Cr-7.5Al不銹鋼蜂巢材，在提高材料耐高溫氧化特性的同時，增加了轉(zhuǎn)換器的數(shù)值孔徑，從而減輕了施加在引擎輸出功率上的負(fù)擔(dān)。
不銹鋼在汽車行業(yè)用量的增加，是與家用轎車使用周期的延長相對應(yīng)的。鑒于汽車行業(yè)的成本要求，今后不銹鋼在汽車上的應(yīng)用可能不會太多，但滿足用戶需求的研發(fā)措施不會停止，并期待在其他領(lǐng)域得到發(fā)展。
3 、不銹鋼的使用開發(fā)和今后發(fā)展動向
由于現(xiàn)在仍大量使用奧氏體系不銹鋼，故不可避免的使用鎳資源，造成其價格上漲、資源短缺等問題，為此開發(fā)了代用材料。*近，鐵素體系不銹鋼的高純凈化及與使用環(huán)境關(guān)系的研究整理指明了轉(zhuǎn)換替代奧氏體系不銹鋼的方向。要想找到替代Ni的奧氏體穩(wěn)定化元素并不容易。如上所述N也是奧氏體穩(wěn)定化元素，研究表明，在23Cr-2Mo-Fe系中加N至1.3%以上時，即使不加Ni也可使鋼變成單相奧氏體。雖然因工藝和設(shè)備問題生產(chǎn)率較低、成本較高，但這一發(fā)現(xiàn)指出了解決此技術(shù)的一個關(guān)鍵方向。
除高溫耐氧化性外，不銹鋼的*大特點(diǎn)在于其鈍態(tài)皮膜的化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)良的再鈍化性。關(guān)于不銹鋼鈍態(tài)皮膜，已有人歸納了迄今為止的研究成果，查明了皮膜厚度、組成、半導(dǎo)體特性、耐點(diǎn)蝕等特性，但仍有皮膜原子水平的不均勻性、皮膜構(gòu)成元素的作用、考慮了鈍化過程的中間域及表面電子狀態(tài)的鈍化機(jī)理等課題需查明。對這些課題進(jìn)行深入研究，即可為不銹鋼的開發(fā)與生產(chǎn)開辟新的道路。
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